FR2807285A1 - Dispositif pour la regulation thermique de composants electroniques de grande puissance par circulation de fluide caloporteur - Google Patents

Abstract

Le dispositif de refroidissement selon l'invention comprend un corps massif (6) réalisé en un matériau thermiquement bon conducteur traversé par un circuit d'échange thermique (13) dans lequel circule le fluide caloporteur. Ce circuit d'échange thermique (13) suit un trajet sinueux tridimensionnel comportant une pluralité de tronçons (31) adjacents à une face du corps sur lequel est appliqué le composant électronique à refroidir; lesdits tronçons (31) pouvant consister en des cavités ouvertes au niveau de la susdite face et refermées soit par la paroi du composant à refroidir soit par un couvercle. L'invention s'applique au refroidissement de composants électroniques (8).

Description

La présente invention a pour objet un module pour la dissipation à haute performance de l'énergie thermique engendrée par des composants électroniques de forte puissance. Elle s'applique notamment, mais non exclusivement, pour tous les systèmes d'appareils électroniques dont les composants sont susceptibles d'atteindre, par effet joule, des températures d'utilisation critiques. Elle peut présenter une structure modulaire et etre intégrée dans un ensemble servant à refroidir d'autres composants.

A l'heure actuelle, l'augmentation des puissances électriques dans les composants électroniques entraîne des dissipations thermiques en W/cm2 de plus en plus importantes.

L'évacuation des calories ainsi dissipées doit se faire par l'intermédiaire module où circule un fluide caloporteur.

Ainsi, lorsque les jonctions d'un semi-conducteur en fonctionnement sont à des températures supérieures à la recommandation du constructeur, il se produit une modification de la jonction, ce qui entraîne des détériorations irréversibles et diminue la longévité du produit. Les températures de jonction pour certains composants électroniques doivent pas dépasser 130 C.

Pour cela, il impératif que la température de jonction soit inférieure à température maximale prescrite, et il est indispensable d'avoir un module refroidissement avec une résistance thermique la plus faible possible et surface d'échange de chaleur la plus importante possible.

Il existe actuellement différents dispositifs pour augmenter la dissipation de chaleur produite par les composants électroniques. On sait que dans dispositifs, circuit de refroidissement plan est monté dans un module refroidissement, ce qui limite les surfaces d'échange entre le fluide caloporteur et la matière du module de refroidissement. Cette solution présente, en outre un certain nombre d'inconvénients qui réduisent considérablement leur efficacité.

Ainsi, à l'heure actuelle, ces dispositifs, bien que modulaires, ne peuvent traiter qu'au cas par cas le refroidissement des composants électroniques. contre, il n'existe pas de solutions globales et satisfaisantes pour transférer la chaleur par convexion, et susceptibles de résoudre avec efficacité les problèmes cruciaux de surchauffe des matériels électroniques.

L'invention a donc pour but de supprimer ces inconvénients.

Elle propose à cet effet un dispositif de refroidissement comprenant un corps massif réalisé en un matériau thermiquement bon conducteur, ce corps étant traversé par un circuit d'échange thermique suivant un trajet sinueux tridimensionnel comportant une pluralité de tronçons adjacents à une face du corps sur lequel est appliqué le composant à refroidir. Avantageusement, le susdit corps muni de son circuit pourra être réalisé par moulage, par exemple, à la cire perdue.

Les susdits tronçons pourront consister en des cavités ouvertes au niveau de la susdite face. Les cavités sont alors refermées par paroi du composant assemblée contre ladite face. Dans ce cas, le fluide caloporteur vient directement en contact avec ledit composant électronique.

Selon une autre variante de l'invention, le susdit corps pourra être réalisé en au moins deux parties, à savoir - au moins un module central comprenant deux faces opposées au niveau de chacune desquelles débouchent des cavités formant tronçons du susdit circuit, et - des moyens d'obturation s'appliquant sur une des faces du module pour refermer les cavités qui débouchent dans ladite face, l'autre face venant alors s'appliquer sur une paroi d'une plaque d'alimentation en fluide caloporteur, soit directement, soit par l'intermédiaire d'un second couvercle percé de manière à laisser le fluide réfrigérant pénétrer et sortir du susdit module.

Dans ce dernier cas, le circuit d'échange thermique pourra consister en deux séries de cavités communiquant entre elles deux par deux et débouchant respectivement au niveau des deux faces du module, les cavités de l'une des séries étant disposées en quinconce par rapport aux cavités de l'autre série.

susdite plaque d'alimentation comprend au moins un circuit d'admission et circuit de retour du fluide caloporteur. Ces deux circuits débouchent respectivement dans des cavités d'entrée et de sortie dudit module.

mode de réalisation du dispositif selon l'invention sera décrit ci-après, à titre d'exemple non limitatif, avec référence aux dessins annexés dans lesquels La figure 1 est une vue en perspective schématique d'un dispositif de refroidissement selon l'art antérieur ; La figure 2 illustre schématiquement en perspective un dispositif selon l'invention ; La figure 3 est une vue en coupe du dispositif représente figure 2 raccordé à un circuit électronique de régulation ; La figure 4 est une vue en coupe verticale du dispositif selon l'invention servant au refroidissement de plusieurs composants électroniques ; La figure 5 est une vue de dessus d'un dispositif selon l'invention présentant une forme cylindrique ; Les figures 6 et 7 sont des coupes transversales respectivement selon AN et BB' de la figure 5.

Tel que représenté sur la figure 1, le dispositif de refroidissement 1 connu comprend un composant électronique 2, dont on veut réguler la température, assemblé par usinage ou par clamps sur un boîtier parallélépipédique. Ce module renferme un circuit de refroidissement 3 se présentant sous forme serpentin situé à proximité de la zone d'application boîtier/composant. Ce circuit est raccordé par ses deux extrémités respectivement à un conduit d'admission 4 et à un conduit de retour 5 de fluide caloporteur. liquide "frigérant peut être, de façon habituelle, de l'eau, de l'eau avec glycol ou de l'huile.

Ce dispositif ne permet pas un parfait échange de chaleur entre le composant électronique 2 et le module de refroidissement 1 car ledit module constitué de deux élément distincts, le circuit de refroidissement 3 d'une part le matériau du module 2 lui-même d'autre part ; les échanges thermiques sont réduits d'autant, même si les composés sont intrinsèquement de bons conducteurs de chaleur. De plus, la disposition plane du circuit ne permet d'obtenir zone d'échange de chaleur très importante.

L'invention permet de résoudre ce problème grâce à un dispositif tel que celui représente sur la figure 2 et qui comprend un module de refroidissement de forme parallélépipédique 6 selon l'invention monté sur une face d'assemblage d'une plaque d'alimentation 7. Comme représenté sur la figure 1, le susdit module supporte également un composant électronique 8 fixé par vissage ou par clamps. La plaque d'alimentation 7 comprend deux canalisations, respectivement d'admission 9 et de retour 10 de fluide caloporteur, qui débouchent par des orifices situés dans la face de jonction grâce aux orifices d'entrée 1 et de sortie 12 du module 6.

Selon l'invention, le module comprend entre ces deux orifices un circuit d'échange thermique formé d'une pluralité de tronçons suivant un trajet sinueux tridimensionnel 13. Les canalisations d'admission 9 et de retour 10 sont connectées à un circuit de refroidissement, représenté sur la figure 3, comprenant successivement un échangeur thermique 14 éventuellement couplé à une source frigorigène<B>15</B> et une pompe de circulation à débit réglable 16. La régulation de la température du fluide frigorigène peut être assurée au moyen d'un circuit électronique de régulation comportant une sonde de mesure de température 17 éventuellement placée au niveau du module 6, et/ou du composant électronique 8, et un circuit d'asservissement 18 qui reçoit les informations détectées par la sonde 17. Ledit circuit d'asservissement 18 mesure l'écart entre la température enregistrée et la valeur de consigne, saisie par exemple à partir d'un clavier 19, et agit sur la pompe de circulation 16 de manière à réduire cet écart au minimum. Ainsi, on peut facilement envisager une fonction complète de commande asservie dirigée par une unité centrale numérique et ainsi faire varier de façon automatique la température des composants électroniques avec une efficacité accrue et pour un coût plus économique.

La figure 3 illustre de façon plus précise le parcours sinueux des tronçons issus du circuit 13 et ayant une disposition en quinconce, alternativement adjacente au bord supérieur puis au bord inférieur, ceci afin de faciliter la réalisation moulage et/ou par l'usinage du matériau constitutif du module de refroidissement. Le composant électronique 8 est assemblé au-dessus du module de refroidissement 6.

Selon une possibilité offerte par le dispositif selon l'invention et illustrée la figure 4, plaque d'alimentation 20 porte sur ses deux faces parallèles et opposées deux modules 21 et 22 de refroidissement identiques à celui la figure 3, et sur lesquels deux composants électroniques 23 et 24 sont montés. Dans ce , la plaque d'alimentation comprend deux conduits longitudinaux se divisant chacun en deux conduits transversaux, débouchant au niveau de deux faces, savoir - un conduit transversal 25 servant à relier les orifices d'entrée des deux modules et 22, ce conduit étant connecté au circuit d'admission, et - un conduit transversal 26 servant à relier les orifices de sortie des deux modules 21 et 22, ce conduit étant connecté au circuit de retour.

Une autre forme possible du dispositif selon l'invention est représentée les figures 5 à 7. Le module de refroidissement 27 a ici une forme circulaire adaptée, notamment, pour le refroidissement de composants électroniques de type "Press-Pack". Le conduit unique situé dans la plaque d'alimentation débouche à proximité du bord périphérique 28 du module 27 et aboutit a une pluralité de tronçons 31 dont les trajets sinueux évoluent sous la forme de cercles concentriques de différents diamètres 29 constants reliés entre eux par un ou plusieurs tronçons. Le module de refroidissement comprend un trou central 30 permettant au liquide réfrigérant d'être évacué vers le conduit de retour de plaque d'alimentation.

On comprend mieux, grâce à la figure 6, l'emplacement et la disposition des tronçons a l'intérieur du susdit module 27. La figure comprend ici six cavités appartenant à trois trajets circulaires et donc répartis deux à deux symétriquement à égale distance du trou central 30. Ces tronçons ont largeur égale. Toutefois, pour permettre un meilleur écoulement du fluide comme représenté sur la figure 6, la largeur desdits tronçons pourra augmenter sensiblement à mesure que l'on se rapproche du trou central 30.

Tout comme la figure précédente, la figure 7 aide à appréhender la géométrie du trajet sinueux des susdits tronçons 31. Les tronçons 31 sont symétriques rapport à un axe médian. Ils ont une forme en créneau élargie à la base et s'étendent depuis le bord inférieur jusqu'au bord supérieur du dispositif.

Grâce au trajet sinueux tridimensionnel du circuit d'échange thermique selon l'invention, la zone de contact entre le fluide réfrigérant et le module 6 est tres importante. En outre, les turbulences engendrées par les sinuosités contribuent à augmenter le coefficient d'échange thermique. Ainsi, un transfert thermique optimal peut être obtenu.

Le module selon l'invention, au travers duquel le liquide réfrigérant est véhiculé, peut être réalisé en alliage léger obtenu par usinage et brasage, ou par fonderie (cire perdue) ; ce module 6 peut être ensuite assemblé par collage sur la plaque distributrice de fluide, ci-dessus nommée plaque d'alimentation 7, à des emplacements déterminés par les orifices d'admission 11 et de retour 12. Ainsi, la plaque d'alimentation 7 constitue un couvercle refermant le module sur l'une de ses faces parallèles opposées. Ce module peut être refermé sur l'autre face par le composant 8 à refroidir, directement ou avec interposition d'un couvercle. Des revêtements anticorrosion peuvent être realisés à l'intérieur du circuit hydraulique et à l'extérieur module de refroidissement.

module 6 selon l'invention est mis en contact étroit, exemple par vissage ou par clamps, avec le composant électronique 8. Comme précédemment mentionné, la plaque d'alimentation 20 peut porter plusieurs modules 21 et 22 sur chacune de ses faces opposées. Dans ce cas, les deux conduits d'admission 9 et de retour 10 situés dans la plaque d'alimentation se subdivisent pour permettre les connexions nécessaires avec le circuit de d'échange thermique.

L'invention ne se limite pas au mode d'exécution précédemment décrit. Ainsi, les modules de refroidissement pourront présenter des formes variées adaptées à celles des composants électroniques à refroidir.

Claims (9)

Revendications

1. Dispositif de refroidissement de composants électroniques (8) sujets à de grandes dissipations thermiques, ce dispositif comprenant un corps massif (6) réalisé en un matériau thermiquement conducteur traversé par un circuit d'échange thermique (13), dans lequel circule un fluide caloporteur, caractérisé en ce que le circuit d'échange thermique suit un trajet sinueux tridimensionnel comportant une pluralité de tronçons adjacents à une face du corps sur lequel est appliqué le composant à refroidir.

2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que les susdits tronçons (31 consistent en des cavités ouvertes au niveau de la susdite face.

3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les susdites cavités sont refermées par la paroi du composant assemblé contre ladite face, directement ou par l'intermédiaire d'un couvercle.

4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le susdit corps est réalisé au moins deux parties, à savoir: au moins un module central (6) comprenant deux faces opposées au niveau de chacune desquelles débouchent des cavités formant des tronçons du susdit circuit, et des moyens d'obturation s'appliquant sur une des faces du module pour refermer les cavités qui débouchent dans ladite face, l'autre face venant alors s'appliquer sur une paroi d'une plaque d'alimentation (7) en fluide caloporteur, soit directement, soit par l'intermédiaire d'un second couvercle percé de manière à laisser le liquide réfrigérant pénétrer et sortir du susdit module (6).

5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le circuit d'échange thermique (13) consiste en deux séries de cavités communiquant entre elles deux à deux et débouchant respectivement au niveau des faces du module, les cavités de l'une des séries étant disposées en quinconce par rapport aux cavités de l'autre série.

6. Dispositif selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que la susdite plaque d'alimentation (7) comprend au moins un circuit d'admission (19) et un circuit de retour (10) du fluide caloporteur, ces deux circuits débouchant dans des cavités d'entrée (11) et sortie (12) dudit module (6).

7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le susdit corps est réalisé par moulage.

8. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux modules 1) et (22) respectivement montés sur des faces parallèles opposées de la susdite plaque d'alimentation (20).

9. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le susdit circuit d'échange thermique (13) connecté à un circuit de refroidissement comprenant successivement un échangeur thermique (14) éventuellement couplé à une source frigorigène (15) et une pompe de circulation à débit réglable (16), la régulation de la température du fluide frigorigène pouvant être assurée au moyen d'un circuit électronique de régulation comportant une sonde de mesure de température (7) éventuellement placée au niveau du module (6), et/ou du composant électronique (8), et un circuit d'asservissement (18) recevant les informations détectées la sonde (7), ce circuit d'asservissement mesurant l'écart entre la température enregistrée et la valeur de consigne, saisie par exemple à partir clavier (19), et agissant sur la pompe de circulation de manière à réduire au minimum cet écart.